背景概述

惡性腫瘤一直是困擾人類健康的公共衛(wèi)生問題,，腫瘤電場治療是當(dāng)前醫(yī)療市場上熱門的一種創(chuàng)新技術(shù),。這種技術(shù)是通過穿戴設(shè)備,，對目標(biāo)位置腫瘤發(fā)出低強度交變電場來干擾癌細(xì)胞,，讓它們發(fā)生紊亂,，無法正常分裂增殖,，從而實現(xiàn)抗癌效果,。該療法有著非常好的耐受性,，絕大部分副作用為輕度皮膚刺激。根據(jù)在2023年ASCO年會上發(fā)布的數(shù)據(jù),，來自LUNAR試驗(NCT02973789)的結(jié)果顯示,，在轉(zhuǎn)移性非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)患者中,，相比單獨使用標(biāo)準(zhǔn)治療，將腫瘤電場治療與肺癌標(biāo)準(zhǔn)治療中的免疫療法或化療相結(jié)合,，可以提高患者總生存率,，降低死亡風(fēng)險。

方案介紹

本次技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健邀請了來自專業(yè)醫(yī)療領(lǐng)域企業(yè)的工程師黃工跟大家分享實戰(zhàn)案例,。該公司是世健公司多年的客戶,，主要從事醫(yī)療器械的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售,，而黃工有著資深的行業(yè)經(jīng)驗,。本文中提到的腫瘤電場治療儀主要由生理信號檢測系統(tǒng)、電場刺激發(fā)放系統(tǒng),、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)組成,。該治療儀具有高精度、高準(zhǔn)確度等優(yōu)點,，黃工及團隊在設(shè)計中運用到了多個ADI產(chǎn)品,。該儀器電場刺激發(fā)放系統(tǒng)硬件設(shè)計方案如圖一所示。

圖一 電場刺激發(fā)放系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

電場刺激發(fā)放中,，DDS的選取為ADI的AD9837,，這是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器,，可產(chǎn)生正弦波,、三角波和方波輸出；輸出頻率和相位可通過軟件進行編程,，調(diào)整簡單,。黃工表示，選擇該芯片最重要的一個原因是該產(chǎn)品的分辨率高,，當(dāng)時鐘速率為5MHz時,，可實現(xiàn)0.02Hz的分辨率。

圖二 AD9837內(nèi)部架構(gòu)

橢圓濾波器的選擇為ADI LTC1560-1,，該濾波器是一款5階,、連續(xù)時間、低通濾波器,；截止頻率可通過引腳選擇為500KHz或1Mhz,。與其他高頻濾波器不同，LTC1560-1是專門實現(xiàn)低噪聲和低失真而設(shè)計的,。對于一個1Vrms輸入信號,，信噪比為69db，THD為-63dB,。

圖三 LTC1560-1外圍參考電路設(shè)計

數(shù)字電位器的選擇為AD5282,，該器件為雙通道,，256位，I2C兼容型數(shù)字電位計,。與數(shù)字電位器配合的運放選擇為ADA4805-2,，該運放為高速電壓反饋，軌至軌輸出放大器,，具有500uA級低功耗,。此外，更重要的是該運放具有105MHz高帶寬（增益為1）,，160V/us高壓擺率及125uV的低輸入失調(diào)電壓,。該運放與數(shù)字電位器AD5282進行搭配可實現(xiàn)輸出電壓的增益可調(diào)，且能完美實現(xiàn)輸入信號的保真,。

高壓運放的選擇為ADHV4702-1,，與高壓運放搭配的供電電源為LT8304-1。高壓運放選擇ADHV4702-1,。理由在于該運放供電電壓高達±110V,，其輸出電壓也接近軌到軌。此外,，該運放也具有高壓擺率,，可達74V/us,。該款運放的高壓擺率和高供電電壓保證了電場激勵的幅度,。為了實現(xiàn)高精度性能，ADHV4702-1 具有170dB的典型開環(huán)增益(AOL)和160dB的典型共模抑制比(CMRR),。ADHV4702-1還具有2μV/°C的最大輸入失調(diào)電壓(VOS)漂移和8 nV/√Hz的輸入電壓噪聲,。

高壓電源選取LT8304的理由則在于，該電源芯片為單片式,、微功率,、隔離型反激式轉(zhuǎn)換器。通過直接從主端反激波形對隔離式輸出電壓進行采樣,，該器件無需借助第三個繞組或光隔離器來實現(xiàn)穩(wěn)壓,。輸出電壓利用兩個外部電阻器和第三個任選的溫度補償電阻器來設(shè)置。邊界模式操作提供了一種具有卓越負(fù)載調(diào)節(jié)性能的小型磁性解決方案,。低紋波突發(fā)模式操作可在輕負(fù)載條件下保持高效率,，同時較大限度地抑制輸出電壓紋波。LT8304-1可在一個3V至100V的輸入電壓范圍內(nèi)工作,，并輸送高達24W的隔離輸出功率,。

圖四 LT8304內(nèi)部架構(gòu)

LT8304產(chǎn)生正負(fù)110V高壓參數(shù)選擇及仿真如圖五所示：

圖五 LT8304 正負(fù)110V高壓輸出仿真

在實際應(yīng)用該芯片時需注意，在原邊添加緩沖電路,，對于變壓器,、初級側(cè)和次級側(cè)漏電流會導(dǎo)致過大的電壓尖峰,，超過IC的絕對最大額定電壓，導(dǎo)致IC損壞,。如果允許振鈴時間過長,，可能會錯誤地使電源開關(guān)控制電路跳閘。一些電感器具有高漏感的特征,，但繞組不良的電感器也會表現(xiàn)出高漏感,，雜散電感會加劇由此產(chǎn)生的電壓尖峰，這通常是電路布局不良的結(jié)果,。為了防止這種情況,，需額外添加緩沖電路，即仿真圖中的D2,、D3,、R3、R4,。緩沖電路的作用是吸收由于漏感L引起的多余能量l,，從而保護IC免受潛在的高電壓或過度振鈴的影響。二極管緩沖器可確保定義明確且一致的箝位電壓,，并具有略高的功率效率,，而阻容緩沖器可快速抑制電壓尖峰振鈴。

ADHV4702-1產(chǎn)生正負(fù)110V可調(diào)脈沖參數(shù)選擇及仿真如圖六所示：

圖六 ADHV4702-1正負(fù)110V脈沖信號仿真

實際應(yīng)用ADHV4702-1的過程中,，需充分考慮該芯片溫度引腳TMP的運用及該芯片扇熱,。

ADHV4702-1的TMP引腳可用于監(jiān)測芯片溫度的相對變化。典型的TMP引腳電壓在室溫下約為1.9 V,，在- 4.5 mV/°C左右變化,。為了避免在超過規(guī)定的溫度下工作，導(dǎo)致芯片性能下降,，可將ADHV4702-1的TMP引腳直接與SD引腳相連在與電阻RTEMP連接到地,，在RTEMP上改變電阻來設(shè)置熱關(guān)機閾值溫度如圖七所示。

在進行PCB繪制時,，建議在該芯片下表面添加一個外露的銅頂層,，用于熱管理。將該芯片封裝外露的pad（EPAD）焊在銅層上,，保證最佳的散熱效果,。頂部暴露的銅區(qū)域通過多個熱過孔組成的陣列連接到底部暴露的銅接地面。此外,，還可通過在ADHV4702-1的底部外露接地平面上安裝散熱器的方式,，用來提高ADHV4702-1的散熱。

圖七 ADHV4702-1 TMP引腳電壓溫度曲線及該引腳外接參考電路 

總結(jié)

本文提及的腫瘤電場治療硬件設(shè)計方案在芯片選型上均選用ADI的元器件,，具有低功耗,、高精度,、小體積的特點。其突出特性之一是在高壓電源升壓與高壓信號放大的處理上,，選用ADI的LT8304可直接從主端反激波形對隔離式輸出電壓進行采樣,，從而無需借助第三個繞組或光隔離器即可實現(xiàn)穩(wěn)壓。腫瘤治療設(shè)備往往對于性能和精密度有極高的要求,，高壓運放ADHV4702-1,，作為業(yè)界一款高電壓、高性能的精密運算放大器,，具有高輸入阻抗,、低輸入偏置電流、低輸入失調(diào)電壓,、低漂移和低噪聲的特性,，適用于精密、苛刻的應(yīng)用,。此外,，該運放利用ADI公司的下一代專有半導(dǎo)體工藝和創(chuàng)新架構(gòu)，使這款精密運算放大器能夠使用±110V對稱雙電源,、不對稱雙電源或220V單電源供電,。

關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商

世健是完整解決方案的供應(yīng)商，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商（OEM）,、原設(shè)計生產(chǎn)商（ODM）和電子制造服務(wù)提供商（EMS）提供優(yōu)質(zhì)的元器件,、工程設(shè)計及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。多次被權(quán)威雜志和行業(yè)機構(gòu)列入全球領(lǐng)先分銷商榜單,。

世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作,，為新的科技與趨勢作出定位,，并幫助客戶把這些最先進的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中,。世健分別在新加坡、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心,，專業(yè)的研發(fā)團隊不斷創(chuàng)造新的解決方案,，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計可應(yīng)用于工業(yè),、無線通信及消費電子等領(lǐng)域,。

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